脑洞找航空企业代工航天发动机？

　　作者| 刘雨霏（航天加工程技术研究院常务副院长）
　　人类的航天活动越来越活跃，根据＂研究与市场＂咨询公司在年初的一份报告，到2027年，全球平均每年要发射330颗超过50千克的卫星。另据国内专家的预测，随着地月经济的开发，人类在2050年前可能会实现每年发射超过10万吨物体进入太空。这对于商业发射来是一个好消息，更是冲锋的号角——随之而来的问题是，火箭工厂的建设不是一朝一夕的事情，哪怕是服务于2030~2040年的火箭，产能问题也是迫在眉睫的。彼得·贝克的3D打印发动机
　　必须指出，在涉及火箭的各种产能问题当中，发动机排在第一位。NASA曾经公开表扬马斯克，说他在加利福尼亚州的火箭工厂＂地板上摆满了发动机＂，这意味着马斯克可以随时拿出足够的猎鹰九号火箭来满足需求，不但可以用来履行国际空间站商业货运合同，也能在其他发射服务商陷入困境的时候担当替补，保证用户的进度。
　　火箭发动机是人类诸多工业品中最复杂的之一。为了能设计制造出合格的发动机，工程师们绞尽脑汁。《卫星与网络》公众号发布于12月11日的公众号文章《火箭实验室展示火箭制造机器人罗西》引发了读者们的热烈讨论。用机器人来解决火箭制造中的诸多工艺问题，显然是正确的途径。但这篇文章中还没有讨论发动机的制造。我们都知道，火箭是复杂的机械，除了用碳纤维制造壳体之外，最重要的大部件就是发动机了。
　　火箭实验室公司创始人、CEO彼得·贝克的想法，是用3D打印来解决问题。这也成为相当多中国商业发射创业者们的选择。3D打印当然是先进有效的技术，但它并不是万能的。同时，在一定的发展时间内，3D打印所能制造的部件尺寸还是相当有限的。贝克为＂电子＂火箭设计的＂卢瑟福＂发动机直径只有20厘米，推力只有24千牛。所以即使在尺寸极为袖珍的＂电子＂火箭一级上，也要采用9台发动机；它的第二级使用1台＂卢瑟福＂，第三级使用一台更小型的＂居里＂发动机。
　　彼得·贝克、＂电子＂号运载火箭和＂卢瑟福＂发动机
　　为了争取美国军方市场，贝克把公司总部搬到了美国，并且在美国建立了新的生产基地。在接受媒体采访时表示，设在美国的生产基地＂买了越来越多的3D打印机＂，期望能在2020年实现年产200台发动机，可以支撑20次左右的发射。我国的商业发射公司能否这样做？
　　贝克并没有公布，他是从哪个制造商那里采购3D打印机的。但是可想而知，这种可以生产宇航级产品的打印机，几乎一定被写在了西方对华高技术禁运的名单上，而国内企业短期内还不能供货。这还不是最重要的问题，在2019年的北京航展上，我们见到了好几家企业展出了原尺寸的液氧甲烷发动机模型，都要比贝克的＂卢瑟福＂大得多，需要更大型、更昂贵的3D打印设备，还需要更长的时间和更多的资金来摸索生产工艺。
　　为了解决类似的问题，一家叫做＂相对论航天＂的美国火箭创业公司采取了更加激进的方式，他们自行研制了一台叫做＂星门＂的巨型金属3D打印机，打算用它来打印一枚完整的小型火箭。＂星门＂的技术相当复杂，这显然不是中国商业航天企业目前能够效仿的。而且＂星门＂的制造能力还是比较有限，所打算制造的＂地球人＂（TERRAN）火箭只能把900千克载荷运送到500千米高的太阳同步轨道上。
　　＂星门＂巨型金属3D打印机
　　＂相对论航天＂火箭创业公司车间内景
　　实际上，太空探索技术公司和蓝色起源公司作为大型火箭制造商，只不过使用3D打印来制造一小部分复杂部件或是小尺寸的发动机，大型发动机上的多数部件还是用传统工艺制造。
　　那么，作为一个制造业大国，我们的商业火箭公司是不是可以有其他的选择？要破局，就得胆大
　　熟悉工业生产的人们都知道，无论什么产品，在实验室里试制出来是一码事，在流水线上大规模生产出来是另外一码事。具体到火箭发动机，设计者们可以用小型设备、3D打印机甚至手工来制造，只要能满足试车需求就可以了。但是要进入流水线生产，就必须解决工艺、工装、标准、进度和质量控制等多方面的问题。
　　而我国的国有航天企业是在本世纪初才基本解决火箭和发动机从试制向批产过渡的。如果我们回顾年度发射数量的数据，会发现在整个90年代，年发射次数最多只有6次。2000、2001和2002年的发射也很少，但是从2003年开始，航天发射次数开始增加，从2007年开始突破10次，2010年突破15次，此后每年都保持在10次以上；2016年突破了20次。这些发射多数用长征二、三、四系列来实施，每次发射都要用掉大量火箭发动机，多则12台（长征三号乙），少则6台（长征二号丁）。这样大量的发动机消耗，是航天科技集团有关单位实施大规模技术改造和流程再造，把发动机制造从试制模式转向批产模式成功的结果，前后历经10多年，才把产能稳定下来，国家为此投入了天文数字的经费。
　　商业火箭企业不可能得到这么多的经费和时间，来复制国有航天企业的产能增长模式。目前，外界已知的商业火箭公司已经实现了一定程度上试制能力，所研制的液体发动机样机可用于地面试车。试制到批产之间的鸿沟还是显而易见的。目前，已经尝试过入轨发射的几家企业，有的尝试入轨运载火箭的公司，采用了直接购买体制内的发动机的模式；也有的是自我设计，然后向国有航天企业外包生大直径固体发动机来落实火箭动力。
　　如果这些企业把自己设计的液体发动机能够实施和国有航天企业——比如航天科技集团第六研究院——共享生产、实验设施的话，那么，这是一条符合军民协同大思路和质量成本合理的，甚至是最优的路径选择。
　　在这样的基础上，继续谋求更好的突破，商业火箭公司是否可以有其他的选择？
　　中国航天技术的发展和美国、苏联、俄罗斯都有很大不同，我们的科研单位基本上是在建国后全新建立起来的。而在美苏，多数骨干航天企业、航天设计局都脱胎于航空科研机构，连NASA本身也是从航空咨询委员会发展而来，包括科罗廖夫在内的一众苏联航天设计师都是从飞机设计师成长起来的。所以，我们不妨尝试一下把目光投向航空领域的制造能力。颠覆你的，从来就不是同行
　　今天的中国航空发动机研究制造能力，已经从中航工业当中剥离出来，成为独立的中国航空发动机集团有限公司，是中央直接管理的国有特大型企业，本身拥有很强的制造能力。而航空和航天在发动机产能产量上的差异非常巨大。仅仅在2018年，中国航发就生产了6126台各类发动机。
　　虽然航空发动机和火箭发动机是两类不同性质的产品，但这也意味着，航空发动机企业拥有相当可观的产能。 ＂颠覆你的，刺激你变更的，从来就不是你的同行。＂相信这句话，大家都熟悉。因此，商业火箭公司可以考虑在航空发动机领域开发新的代工企业。而且，考虑到中国航发与两大航天集团是独立的企业，对于商业机密保护也更加有利。
　　当然，航空发动机企业要想制造火箭发动机，绝不是接到订单就开工那么容易。商业火箭公司必须要向代工企业充分解释自己的需求、提前指出和规避一些因为专业差异而带来的陷阱，甚至要共同开发一些新的工艺和工装等；但，无论如何，这或许真的比商业火箭公司自己建立生产线要来得更现实。而，这对整个商业航天的发展和格局的形成，也许大有裨益。
　　任何一个产业，如果还保持着生命力，就会在外来冲击之下自我变革，找到新的出路。就像传统商业在电商的冲击之下，虽然出现了大量商家倒闭的现象，但整个产业通过创新，找到了新的线下经营模式和成本控制手段的同时，有了很多的创新模式、完善了经营理念，连锁便利店、高端卖场、体验店等新业态展示出了强劲的生命力。如果商业火箭公司+航空制造企业能够对传统航天企业形成冲击，那么相信两大航天集团会在冲击之下启动进化技能，展现出自我调节、自我修复、自我完善等能力，演进成为更加高效、更加强大的宇航供应商。空天一体化，民企可先行一步
　　由航空发动机企业来代工火箭发动机，或许还有一项额外的收获，那就是可重复使用。
　　当下国内的运载火箭发动机还都是一次性使用的，虽然长征八号已经立项研制，但毕竟还没有经历过飞行。即使是马斯克，在把火箭回收之后，也要经过一个比较长的周期才能重新投入使用。然而航空发动机早已经实现了可重复使用，国外的民航客机发动机，基本上实现了落地加油重新起飞，国内的航空发动机科研和技术水平虽然还有一定差距，但也早就实现了频繁重复使用。因此，航空发动机企业在可重复使用发动机相关的材料、工艺、流程等方面，必然有着相当丰厚的技术积淀，在商业火箭公司开发可重复使用火箭的过程中，这或许会成为一个重要的助力。
　　虽然是脑洞，但并不是漫无边际。我们所说的重点并不在这里。自从航天的梦想发端，人们就一直期盼着能有一种航天器，从地面像飞机一样起飞，自由地进入太空、抵达外星，再从那里起飞返回地球，或者去往更深远的宇宙。这种航空航天一体化的前景，激励着一代一代科学家和工程师们不断努力。英国反作用发动机有限公司推出＂云霄塔＂计划，马斯克打造不锈钢＂星船＂，都是在为此而努力。
　　＂云霄塔＂概念＂太空飞机＂
　　在中国的国有企业体制下，航空与航天各有分工，但这种条块分割对民营企业来说是不存在的。今天的民营商业航天企业就算尚且弱小，也有资格和权力去追求这个宏大的梦想。今后，我们需要联合的不仅仅是国有航空航天部门，或许还要联合电子信息、核技术、化工、冶金、机械……等各个门类的国有和民营航天单位，研制和运营真正意义上的天地往返飞行器，为大航天时代提供坚实的物质基础。
　　我们相信，到那个时候，商业航天将如同今天的交通、信息产业一样，成为人类经济和社会体系的支柱。推动航空发动机企业代工火箭发动机，或许就是这个进程中关键性的一步。